光伏系統的IEC61850建模

曹 寧，吳允祝

（河海大學 計算機與信息學院，江蘇 南京 210098）

隨著常規能源的逐漸衰竭和環境污染的日益加重，大規模發展基于可再生能源的分布式發電技術已是必然趨勢。分布式能源主要通過微電網接入配電網。配電終端是配電自動化系統中基本的底層控制單元，傳統配電終端已不能滿足含微電網的新型配電網的監控需求。為了適應微電網接入對配電網的影響，需要將傳統配電終端升級改造為基于IEC61850的分布式能源智能監控終端。IEC61850構建了一種公共的通信標準，并提出設備互操作[1]的要求，使得不同的光伏發電系統設備間數據模型的統一變得尤為關鍵[2]。

本文主要是實現基于IEC61850的光伏變電系統的建模與通信。設計了光伏電站的信息模型，完成功能分配和模型實現，設定通信方式，為實現光伏電站的標準化、信息化打下了基礎。

1 光伏系統的概述

光伏發電系統（PV System）是將太陽能轉換成電能的發電系統，利用的是光生伏特效應。光伏發電系統分為獨立太陽能光伏發電系統、并網太陽能光伏發電系統和分布式太陽能光伏發電系統。

它的主要部件是太陽能電池、蓄電池、控制器和逆變器。其特點是可靠性高、使用壽命長、不污染環境、能獨立發電又能并網運行，受到各國企業組織的青睞，具有廣闊的發展前景。利用光伏電池的光生伏打效應，將太陽輻射能直接轉換成電能的發電系統，包括光伏組件和配套部件（BOS）。

據智研咨詢統計：2012年全球光伏發電累計裝機達到97GW，2012年全球新增裝機30GW，中國新增裝機占全球總量的16%以上 ，隨著國家對清潔能源產業的大力扶持，我國光伏發電系統產業將迎來發展高峰期。

2 光伏系統IED模型的實現

2.1 光伏變電系統邏輯設備建模

根據光伏單元設備的功能及需求，可將其信息模型抽象為7個邏輯設備[3]，其中包括光伏電氣連接點邏輯設備、光伏單元控制器邏輯設備、光伏發電邏輯設備、交直流轉換器邏輯設備、電池系統邏輯設備、物理量測邏輯設備以及光伏保護邏輯設備[4]。上述 7個邏輯設備共同組成了光伏單元設備的信息模型，各個邏輯設備各司其職又相輔相成，組成了光伏系統的功能基礎。在確定邏輯設備的基礎上，對不同邏輯設備均分配了相應的邏輯節點以實現其功能。根據IEC 61850-7-420提供的資料，光伏單元設備信息模型如圖1所示。

2.2 光伏變點系統邏輯節點建模

邏輯設備由若干邏輯節點、數據集和不同的服務模型組成。

圖1 光伏變電系統邏輯設備建模Fig.1 Model of photovoltaic substation system logical device

基于IEC61850標準結合實際光伏變電系統，繪制了光伏系統系統關聯的邏輯節點。如圖2所示。

2.3 基于“四遙”的光伏變電系統數據建模

圖2 光伏變電系統邏輯節點布局圖Fig.2 Layout of Photovoltaic substation system logic node

由于現在變電站系統及遠程監控系統還沒有實現IEC61850標準化，仍需要使用已有網絡體系，對遠方的變電站進行實時監控。而IEC60870-5-x系列協議在電網系統得到實際使用并運行狀況良好，所以需要和已有系統進行兼容，逐步實現系統標準化。所以光伏變電系統采用基于“四遙”[5]進行建模，能夠很好適應現在的通信體系，通過網關實現信息網間的傳輸，此方法具有較高可實行性。

2.3.1 遙測信息建模

光伏發電系統中遙測信息包括：饋線的電壓、電流值、頻率、有功、無功等。采用邏輯節點 MMXU實現。逆變器直流側電氣量用邏輯節點MMXN來表示。電能計量邏輯節點MMTR。根據 IEC61850-7-3和IEC61850-7-4，以測量邏輯節點MMXN為例，分別對其數據對象和屬性建模，如表1所示。

2.3.2 遙信信息建模

遙信信息一般是對告警情況、開關或閥門位置等狀態信息的監視。表2為分布式電源狀態邏輯節點 DRCS的遙信信息建模實例。表中ECPConn代表光伏發電支路ECP連接狀態，true代表連接，false代表斷開。時標t是采集狀態信息的時間。

表1 測量單元邏輯節點MMXN實例Tab.1 Instance of measurement unit logical node MMXN

2.3.3 遙控信息建模

微電網系統中的遙控信息指控制斷路器、開關、刀閘的開合，例如微電網的能量管理策略會主動的下發控制命令來啟停分布式電源或者投切負荷，來滿足正常運行的需要。過流、過壓、短路等情況保護裝置也會切除故障部分。微電網系統中控制信息CSWI來建模如表3所示，由它來操作帶有斷路器、隔離開關的設備，執行微電網監控中心或者保護設備發出的控制指令。

表2 分布式電源狀態邏輯節點DRCT實例Tab.2 Instance of distributed power supply status logical node DRCT

表3 開關控制邏輯節點CSWI實例Tab.3 Instance of switch control logic node CSWI

2.3.4 遙調信息建模

遙調是對設備運行時的一些參數值進行調整，如調節發電機輸出功率，變壓器分接頭位置。微電網的遙調信息主要負責調整微電網的分布式電源的運行參數。比如，DER并網時一般運行在恒功率 PQ運行模式，PQ值的大小可以調節。表4以分布式電源控制器DTRC為例對遙調數據建模。

表4 分布式電源控制器邏輯節點DTRC實例Tab.4 Instance of distributed power controller logic node DTRC

3 光伏變電系統IED實時信息通信

3.1 光伏發電系統通信服務選擇

構建基于IEC61850標準的微電網通信面臨三個問題，一是基于三層的微電網通信[6]結構各層之間采用何種服務進行交互。二是不同數據類型的數據分別采用什么服務進行傳輸。三是系統中有些裝置不支持IEC61850標準定義的服務，如何進行通信。解決方法如圖3所示，對于問題一，就地控制層多存在數據采集和控制執行設備，所以就地控制層與集中控制層的數據交互的數據如控制信息可以使用 GOOSE傳輸，采集信息可使用采樣值 SMV服務，IEC61850-7-2，IEC61850-9，有詳細的規定。集中控制層與監控中心之間信息映射到采用MMS協議棧進行傳輸。對于問題二，控制、遙調、定值下發的數據采用控制服務，遙信、遙測、定值、SOE等上傳的數據采用報告控制塊。對于問題三，采用通信網關解決，就地控制層數據通過通信網關將非IEC61850標準支持的服務轉換成 IEC61850支持的通信方式，再與監控中心通信。微電網監控中心與配網調度中心間的信息交互使用IEC60870-5-104協議，所以再通過通信網關將 MMS協議數據轉換成104協議與配網通信。

圖3 IEC61850通信結構模型Fig.3 Communication structure model of IEC61850

3.2 采用報告控制塊傳輸數據

報告控制模型分為帶緩沖的報告控制塊BRCB（Buffered Report Control Block）和不帶緩沖的報告控制塊URCB（Unbuffered Report Control Block）兩種類型。使用BRCB時，如果外界條件不滿足報告傳送，它會存儲內部變化的數據達到一定數量后，如果條件滿足，再發送。這樣不會造成數據丟失，并能夠提供SOE功能。使用URCB則立即發送內部事件（數據變化、品質變化、數據刷新等）報告，如果關聯不存在或者傳輸數據流過慢將丟失事件。報告控制塊可用于告警、事件、開入、模擬量等需要上送的信息。Server與Client連接過程中，客戶端可根據自己的需要設定每個報告實例的屬性。在 IED建模時，通過設置 ReportControl的“buffered”屬性為true，選擇緩沖型報告，對應 FC為 BR，否則為非緩沖型報告，對應 FC為 RP。通常遙信、告警、事件、SOE等報告建模為緩存類型，遙測類型的數據建模為非緩存型。

報告控制塊的響應一般有以下情況，客戶機與服務器建立連接時發出總召喚，設定監控的數據集發生了內部事件（dchg，qchg，dupd），也會產生報告，將 BRCB 中數據集引用的數據屬性成員的值上送給客戶端。

4 結束語

微電網的出現解決了分布式電源發電中存在的問題，既可以并網運行作為電力系統的一個節點，也可以獨立運行，給用電量小的系統或區域提供電力支持。而如今分布式電源的作用越來越大，并網的容量也在不斷增加，如何解決互操作問題，解決分布式光伏電源接入配電網對電能質量的影響等等問題，顯得越發重要。IEC61850標準對分布式電源提出了相應的標準，為IEC61850-7-420。但是該標準只是做出了整體描述，而分布式電源發展日新月異，因此要求我們在實施過程中，需要根據實際情況進行建模，具體問題具體分析，需要增加的信息自己設計，避免歧義。

[1]劉俊培，張敏，黃國兵，等.隔離開關裝置的IEC61850建模[J].電工電氣，2014（6）:47-50.LIU Jun-pei，ZHANG Min，HUANG Guo-bing，et al.Modeling of isolating switch device based on IEC61850[J].Electrical&Electronics，2014（6）:47-50.

[2]張鐵峰，苗慧鵬，辛紅汪，等.基于IEC 61850的光伏監控系統設計[J].電力信息與通信技術，2014（1）:60-64.ZHANG Tie-feng，MIAO Hui-peng，XIN Hong-wang，et al.Design of photovoltaic monitoring system based on IEC 61850[J].The power of Information and Communication Technology，2014（1）:60-64.

[3]徐晨博，王豐華，黃華，等.基于IEC 61850的變壓器振動監測信息建模與實現[J].電力系統自動化，2014（4）:60-64.XU Chen-bo，WANG Feng-hua，HUANG Hua，et al.Transformer vibration monitoring information modeling and implementation based on IEC 61850[J].Power System Automation，2014（4）:60-64.

[4]Communication networks and system in for power utility automation-part7-420: Basic communication structure Distributed Energy Resource logical nodes （Draft for Vote）[S]，2006:3-45.

[5]周鑫.基于IEC61850的微電網通信的研究[D].秦皇島：燕山大學，2013.

[6]印蓉，周鳴籟.變壓器智能組件IEC61850通信的實現[J].電測與儀表，2014（10）:94-98.YIN Rong，ZHOU Ming-lai.The realization of intelligent communication IEC61850 components of transformer[J].Electron Measurement and Instrument，2014（10）:94-98.